随着家庭智能硬件越来越多，通过应用网关将低速无线设备接入互联网的方式弊端日益显现，如数据转发效率低，开发难度较大等等。随着IPv6的普及，6LoWPAN技术应用成为一种趋势，此方案只需要在网络层进行报文的路由和转发，就能使得家庭内部异构网络的链路层之上完全统一起来。本文将详细介绍6LoWPAN的概念、优势、原理以及构建方法。

作者：吴昊

单位：中国移动智慧家庭运营中心

Part 01

● 6LoWPAN是什么 ●

为了使低速无线设备接入互联网， 通常需要增加一个中间节点，中间节点通过应用层程序，进行数据翻译和转发。随着万物互联时代的到来，家庭智能硬件越来越多，通过这种方式，数据需要层层拆封，翻译，组装，转发，导致中间节点负荷过高，数据转发效率很低，且在不同异构网络间（比如Wi-Fi、ZigBee、BLE）通信时，中间节点需要支持多种协议，开发难度较大。随着IPv6的普及，基于低速无线局域网构建IPv6协议栈的6LoWPAN技术应用成为一种趋势，此方案中，每一个低速设备分配一个唯一的IP地址，在数据传输阶段，中间节点仅变成一个网络通道，不再依赖应用层程序，不再需要关心应用层数据，只需要在网络层进行报文的路由和转发，从而使得家庭内部异构网络的链路层之上完全统一起来。

图1 异构网络拓扑图之间加入中间节点

6LoWPAN(IPv6 over Low power Wireless Personal Area Network)， 是一种基于IPv6的低功耗无线个域网标准，即IPv6 over IEEE 802.15.4。它是IETF互联网领域的一个工作组的名称。6LoWPAN是一个网络层协议，定义了封装和报头压缩机制，允许通过IEEE 802.15.4的低速网络，发送和接收较大IPv6数据报文。

Part 02

● 6LoWPAN方案有哪些优势 ●

➤ 数据可达性及传输效率高：每一个BLE设备都有一个唯一的IP，支持端到端IP寻址，只需要一个路由器即可将数据通过中间节点多跳转发到目标节点；并且不是每一帧数据都到应用层，转发效率更高。

➤ 支持跨域互访、更多的地址空间和无状态自动地址配置：因为IPv6的应用，可在全网直接定位，无需NAT转换，不同网段间通信可直接互访；并且有了海量的地址空间，满足了部署大规模、高密度低速个域网设备的条件；另外无需路由分配，即可无状态的自动分配地址。

➤ 普及性、适用性：IP网络应用广泛且IP网络协议栈架构受到广泛的认可，对于网络层及以上的开发者，不再需要关心具体链路层的协议，而单纯当做一个IP设备来进行管理，开发简单且开发效率更高。

➤ 支持低功耗：在6LowPAN网络中，叶子节点可以睡眠进入低功耗。

➤ 灵活度大：其为物理层提供了全面的支持，在不同频带和物理媒介上构建网络提供足够的自由度。

Part 03

● 基于BLE之上的构建6LoWPAN的原理 ●

BLE网络作为一种低速无线个域网，BLE设备接入互联网以及BLE网络与其他异构网络之间通信，一直是业界广泛关注的问题。下面，小编就以6LowPAN技术在BLE网络的应用为例，来说明6LowPAN的原理。

图2 基于BLE的6LoWPAN端到端数据通信协议模型

如图2，BLE设备与网关建立链路层及L2CAP连接之后的端到端数据通信协议模型，对于一个节点，与网关建立连接之后，发送数据时应用层将构建一个普通的IP数据包，发送到网络层，网络层收到数据后，将其路由到一个虚拟网络设备（B）进行6LoWPAN分片、封装，然后一个个转发到蓝牙协议栈，进行L2CAP封装，最后通过BLE链路层发送出去。

接收数据时，BLE链路收到数据，移除L2TP头，然后路由到虚拟网络设备（B）进行6LoWPAN解封、组装，恢复出IPv6原始报文，然后转发到标准IP网络层。

Part 04

● Linux系统上如何基于BLE构建6LoWPAN ●

由于Linux 内核早期就已经支持蓝牙协议栈，3.2内核主线版本加入了对6LowPAN的支持，然后随着蓝牙4.0发布之后，低功耗蓝牙BLE的诞生，蓝牙4.2发布，BLE开始支持6LoWPAN，所以在linux系统上，基于BLE构建6LoWPAN变得十分容易。

本节，作者将使用两台ubuntu PC+两个BLE蓝牙dongle，手把手带大家学习如何在linux系统上，基于BLE构建6LoWPAN，最后通过BLE链路，完成两个BLE设备之间的IP报文的交换，以此验证6LoWPAN是否成功构建。

注意：本实验中，Ubuntu版本使用14.04，其中内核版本使用3.8.4；BLE蓝牙dongle使用CSR8510 BT5.0版本。

4.1 BLE从机配置

1、确认系统上蓝牙驱动安装成功

图3 从机上蓝牙设备详细信息

2、加载支持BLE的6lowpan内核模块

modprobe bluetooth_6lowpan

注：若系统中不存在此内核模块，请重新配置并编译内核。

3、开启6lowpan功能，并让蓝牙设备多路复用支持此新协议

echo 62 > /sys/kernel/debug/bluetooth/6lowpan_psm

4、作为从机，开启广播通告，周期的向周围广告广播数据

hciconfig hci0 leadv 0

4.2 BLE主机配置

1、确认系统上蓝牙驱动安装成功

图4 主机上蓝牙设备详细信息

2、加载支持BLE的6lowpan内核

modprobe bluetooth_6lowpan

3、开启6lowpan功能，并让蓝牙设备多路复用支持此新协议

echo 62 > /sys/kernel/debug/bluetooth/6lowpan_psm

4.3 BLE主机扫描并连接从设备

1、扫描设备，获取从设备的mac地址

hcitool lescan

2、连接从设备

echo "connect 8C:88:2B:42:3F:17 1" >/sys/kernel/debug/bluetooth/6lowpan_control

其中1，是蓝牙地址类型，1表示公共地址；2表示随机地址。

8C:88:2B:42:3F:17是第一步中获取的从设备MAC地址。

3、如何判断设备连接成功

一旦6lowpan建立成功，则在主从机上敲ifconfig命令，将会发现系统多出一个名为bt0的虚拟网络设备。

如下所示：

从机网口

图5 从机上bt0虚拟网络设备信息

主机网口

图6 主机上bt0虚拟网络设备信息

4.4 从机使用ping命令，验证两个BLE之间的IPv6连通性

ping6 -I bt0 fe80::8e88:2bff:fe21:b552

图7 主从机之间ping6通信

可见，主从机之间已经可以通过BLE链路交换IPv6的报文；由此可知，在linux系统上，基于BLE构建6LoWPAN是成功的。

4.5 连接成功/失败的内核日志

在执行连接操作时候，通过tail -f /var/log/syslog 进行内核日志查看。

4.6 BLE主机主动断开连接

echo "disconnect 8C:88:2B:42:3F:17" > /sys/kernel/debug/bluetooth/6lowpan_control

Part 05

● 总结 ●

综上，在linux系统上，基于BLE构建6LoWPAN十分容易，基于其他低速无线局域网构建6LoWPAN原理相同。所以在多个异构网络之间，通过构建6LoWPAN，让家庭内部异构网络之间的链路层之上完全统一起来，具有很强的可操作性。相信随着万物互联的到来，随着IPv6的普及，6LoWPAN在家庭网络中的重要性将会更加显现，应用性会更加广泛。